河兴煤矿C8煤层顺层预抽钻孔封孔工艺研究

马宏宇

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037；2.国家煤矿安全技术工程研究中心，重庆市沙坪坝区，400037)

★ 煤矿安全 ★

河兴煤矿C8煤层顺层预抽钻孔封孔工艺研究

马宏宇1,2

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆市沙坪坝区，400037；2.国家煤矿安全技术工程研究中心，重庆市沙坪坝区，400037)

为更好地提高河兴煤矿C8煤层顺层钻孔的瓦斯抽采效果，改善瓦斯治理状况，针对矿井现有条件，从抽采效果和成本等方面比较和研究了袋装聚氨酯两段封孔、棉纱裹缠聚氨酯三段封孔及水泥砂浆封孔3种封孔工艺。确定采用袋装聚氨酯两段封孔作为该矿C8煤层顺层预抽钻孔的封孔工艺，保证了封孔质量，提高了瓦斯抽采效果。

顺层钻孔 抽采效果 聚氨酯封孔工艺 水泥砂浆封孔工艺

封孔工艺是影响瓦斯抽采效果的直接因素，封孔长度越深、封孔材料越好，则封孔效果越好，直接反应为瓦斯抽采浓度和抽采量的增加，但是相应的封孔成本也越高。

针对河兴煤矿C8煤层赋存条件，通过考察不同种类的封孔工艺，在保证抽采钻孔不漏气，提高煤层抽采效果的前提下，能有效降低封孔成本，从中选择适用于河兴煤矿C8煤层顺层预抽钻孔的封孔工艺。

1 封孔工艺介绍

河兴煤矿是高瓦斯矿井，为了防止瓦斯超限，在C8煤层工作面的掘进和回采之前都必须对工作面进行区域瓦斯治理。我国大多数矿井采用顺层钻孔预抽煤层瓦斯，但瓦斯抽采钻孔封孔效果不佳、抽采浓度低、抽采瓦斯量小，导致大多数矿井预抽瓦斯浓度低于30%。按照《防治煤与瓦斯突出规定》的要求，当预抽瓦斯浓度低于30%时，应当采取改进封孔的措施，以提高封孔质量。

煤层瓦斯的预抽效果很大程度上取决于抽采钻孔的封孔质量。针对河兴煤矿C8煤层倾角4°～8°的赋存条件，决定考察水泥砂浆封孔、传统棉纱裹缠聚氨酯三段封孔和袋装聚氨酯两段封孔的封孔效果，选择适合河兴煤矿C8煤层顺层预抽钻孔的封孔工艺。

(1)水泥砂浆封孔工艺原理。水泥砂浆封孔法是在预抽钻孔孔口处安好截止装置后，将水泥砂浆用注浆泵压入钻孔，可以封堵较长的钻孔。其封孔材料在注入时为液态，凝固后为固态，能较好地封闭钻孔周围的一些裂隙，从而能较好的封实钻孔。用一根回浆管即可检验其封孔长度，操作比较简单省时。

(2)聚氨酯(马丽散)封孔工艺原理。目前国内本煤层钻孔封孔普遍采用高分子发泡材料，其中以聚氨酯材料为主要材料，根据配方配料的差异又有很多名称的叫法。封孔时将双组分高分子发泡材料混合搅拌后，用棉纱、棉布、毛巾等织物浸泽缠绕在封孔管的某个长度上，然后插入钻孔10 m左右的深处，高分子发泡材料发泡膨胀，将钻孔封堵。

聚氨酯(马丽散)封孔有些类似于胶圈胶囊封孔，但由于其膨胀倍数大，粘结力高，密封性好，因而封孔更严密，是一种非常值得推广的方法，普及前景较为可观。

2 试验地点及封孔流程

2.1 试验地点概况

根据目前河兴煤矿C8煤层的采掘条件，试验地点选择在11803回风巷和11803补掘运输巷。

(1)11803回风巷。河兴煤矿11803回采工作面布置于+1790 m水平一采区C8煤层，东邻尚未布置的11805回采工作面，西邻+1790 m运输大巷，北邻+1790 m东运输大巷，南邻矿井边界。根据地勘资料，C8煤层厚度0.16～2.45 m，平均厚度1.19 m，视密度为1.34 t/m3，平均倾角为8°。

11803回风巷从+1790 m东运输大巷开口，开口位置标高+1798 m，巷道方位198°，目前已掘进长度144.1 m，11803回风巷由于受到前方煤层变薄及断层构造的影响，总设计长度暂未确定。在掘进工作面范围内C8煤层赋存整体不稳定，掘进头煤层厚度约2 m。

(2)11803补掘运输巷。河兴煤矿11803运输巷从+1790 m东运输大巷开口，开口位置标高+1798 m，巷道方位198°，目前已掘进长度135 m，11803运输巷由于受到前方煤层变薄及断层构造的影响，掘进头停止施工。

11803补掘运输巷掘进工作面由11803运输巷原掘进头后退15 m，垂直煤壁向东南方向进入19 m，再垂直煤壁向西南方向掘进，巷道方位角为198°，巷道长度预计在煤层没有构造影响的情况掘进至矿井边界，目前掘进长度约50 m。

目前11803补掘运输巷掘进工作面范围内C8煤层赋存整体不稳定，现掘进头煤层变厚，煤层厚度约3 m。

2.2 钻孔布置和竣工参数

根据现场条件，在11803回风巷选择2组煤巷条带k42.7(水泥砂浆封孔)和k144.1(袋装聚氨酯两段封孔)，在11803补掘运输巷选择1组煤巷条带k3(棉纱裹缠聚氨酯三段封孔)的抽采钻孔作为考察对象，每组抽采钻孔均经过气密性测试。

11803回风巷煤巷条带k42.7钻孔直径75 mm，钻孔间距6 m；11803补掘运输巷煤巷条带k3钻孔直径75 mm，钻孔间距3 m；11803回风巷煤巷条带k144.1钻孔直径75 mm，钻孔间距3 m。11803回风巷及补掘运输巷钻孔竣工图如图1所示。

图1 11803回风巷及补掘运输巷钻孔竣工图

2.3 封孔材料和封孔过程

本次试验的目的是向11803回风巷和11803补掘运输巷施工煤巷顺层条带预抽钻孔，成孔后进行不同的封孔工艺试验，11803回风巷k144.1选择袋装聚氨酯两段封孔、11803补掘运输巷k3选择棉纱裹缠聚氨酯三段封孔、11803回风巷k42.7选择水泥砂浆封孔，并对这3组钻孔分别接抽，测试每组的瓦斯抽采参数(负压、压差、瓦斯浓度等)，通过计算对每组钻孔的瓦斯浓度和百米钻孔瓦斯抽采纯量的对比，对三组抽采钻孔的封孔工艺作出比较。

(1)袋装聚氨酯两段封孔。袋装聚氨酯封孔是指在抽采管孔内固定段两端固定棉纱，每个孔内固定段将聚氨酯A、B料各250 ml放入塑料袋内混合均匀，将多余空气挤出，然后将塑料袋固定在两端棉纱之间，最后将抽采管送到指定位置。11803回风巷k144.1掘进条带共计17个钻孔为聚氨酯封孔，实际钻孔钻进长度共计706.04 m。封孔完毕后进行联抽，袋装聚氨酯两段封孔方式如图2所示。

1—煤层；2—孔口扩孔段；3—抽采管；4—孔内固定段(Ⅰ)；5—孔内固定段(Ⅱ)；6—筛孔管图2 袋装聚氨酯两段封孔工艺示意图

封孔过程：封孔前，采用ø113 mm钻头对抽采钻孔孔口0～3 m处进行扩孔；检查抽采钻孔所需的抽采管(ø50 mm)和封孔所需用的工具、配件等是否齐全；根据封孔深度，向钻孔送入筛孔管2 m、抽采管8～10 m，并在孔内6～7 m处(孔内固定段Ⅰ)和孔内9～10 m处(孔内固定段Ⅱ)用袋装聚氨酯进行密封；封孔完毕后，对钻孔的气密性进行检查，如果达不到要求，采取补充封孔措施，即在孔口扩孔段采用棉纱裹缠聚氨酯送入孔内进一步密封；按以上方法进行下一个钻孔的袋装聚氨酯两段封孔。

(2)棉纱裹缠聚氨酯三段封孔。棉纱缠裹聚氨酯封孔是指每个孔口和孔内固定段将聚氨酯A、B料各250 ml放入桶内混合均匀，然后将棉纱缠裹聚氨酯混合物全部固定在抽采管孔口和孔内固定段，最后将抽采管送到指定位置。11803补掘运输巷k3掘进条带共计14个钻孔为聚氨酯封孔，实际钻孔钻进长度共计413.92 m。封孔完毕后进行联抽，棉纱裹缠聚氨酯三段封孔方式如图3所示。

1—煤层；2—孔内固定段(Ⅰ)；3—抽采管；4—孔内固定段(Ⅱ)；5—孔内固定段(Ⅲ)；6—筛孔管图3 棉纱裹缠聚氨酯三段封孔工艺示意图

封孔过程：检查抽采钻孔所需的抽采管(ø50 mm)和封孔所需用的工具、配件等是否齐全；根据封孔深度，向钻孔送入筛孔管2 m、抽采管8～10 m，并在孔口1.5～2.5 m处(孔口固定段Ⅰ)、孔内5～6 m处(孔内固定段Ⅱ)和孔内8～9 m处(孔内固定段Ⅲ)用棉纱缠裹聚氨酯进行密封；封孔完毕后，对钻孔的气密性进行检查，如果达不到要求，采取补充封孔措施，即在孔口0～1.5 m处采用棉纱裹缠聚氨酯送入孔内进一步密封；按以上方法进行下一个钻孔的棉纱裹缠聚氨酯三段封孔。

(3)水泥砂浆封孔。11803回风巷k42.7掘进条带共计19个钻孔采用水泥砂浆封孔，实际钻孔钻进长度共计为718.34 m。封孔完毕后进行联抽，水泥砂浆封孔方式如图4所示。

1—注浆泵；2—注浆管；3—孔内固定段；4—水泥砂浆；5—抽采管；6—煤层；7—返浆管；8—孔内固定段；9—筛孔管图4 水泥砂浆封孔工艺示意图

封孔过程：检查注浆泵是否完好，封孔所需用的工具、配件等是否齐全；检查抽采钻孔所需的抽采管(ø50 mm)、注浆管(4分管)和返浆管(4分管)是否齐全；根据封孔深度，向钻孔送入筛孔管2 m、抽采管8～10 m、注浆管≥1 m和返浆管≥8 m，并在孔内8～10 m处和孔口0～0.5 m处用棉纱缠裹聚氨酯进行密封；为防止水泥砂浆凝固后因收缩产生裂隙，根据封孔深度，按照水泥∶水=1∶2的比例进行配比，并添加适量膨胀剂，在按以上比例配制好水泥浆后，按注浆泵的操作规程，开动泵搅拌水泥浆，均匀后一次性连续将水泥浆注入钻孔内，直到水泥浆达到预定封孔深度，即当返浆管开始返浆时停止注浆；按以上方法进行下一个孔的注浆封孔；清洗注浆泵。

3 3种封孔工艺对比

3.1 抽采结果对比分析

考察测试期间，对不同抽采时间下3组顺层条带预抽钻孔抽采效果进行了测试，计算得到抽采支管每天的瓦斯浓度和纯瓦斯流量。3种封孔抽采浓度和百米钻孔纯瓦斯流量变化对比如图5所示。

图5 3种封孔抽采浓度和百米钻孔纯瓦斯流量变化对比图

试验结果表明：

(1)通过对不同的封孔工艺的抽采钻孔的瓦斯浓度和百米钻孔瓦斯抽采纯量的变化比较可知，3种封孔工艺下的抽采效果均随着抽采时间的增加呈现减小趋势，衰减幅度基本一致。

(2)3种封孔工艺相互对比，瓦斯浓度：袋装聚氨酯两段封孔>棉纱裹缠聚氨酯三段封孔>水泥砂浆封孔;百米钻孔纯瓦斯流量：袋装聚氨酯两段封孔>棉纱裹缠聚氨酯三段封孔>水泥砂浆封孔，说明袋装聚氨酯两段封孔工艺更能有效地抽采瓦斯，更快的达到煤层消突的效果。

3.2 封孔成本对比分析

通过聚氨酯封孔工艺、水泥浆封孔工艺现场试验对比发现，顺层钻孔采用袋装聚氨酯两段封孔在抽采浓度、抽采量方面具有明显的优势，并且封孔工艺最简单、封孔时间最短。为了探寻出最为经济有效的封孔工艺，对顺层钻孔封孔工艺的成本进行对比，具体见表1。

表1 顺层预抽钻孔不同封孔工艺的单孔封孔成本

根据顺层预抽钻孔不同封孔工艺条件下的单孔封孔成本可知，单孔封孔成本价格从高到低依次为棉纱裹缠聚氨酯三段封孔>水泥浆封孔>袋装聚氨酯两段封孔。

4 结论

对于河兴煤矿C8煤层顺层预抽钻孔，综合瓦斯抽采效果和封孔工艺成本，袋装聚氨酯两段封孔与棉纱裹缠聚氨酯三段封孔和水泥砂浆封孔相比，抽采效果优越，封孔时间最短，造价经济实惠，因此确定采用袋装聚氨酯两段封孔作为C8煤层顺层预抽钻孔的封孔工艺。

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Researchonsealingtechnologyofpre-pumpingboreholesalonglevelbedinC8coalseamofHexingMine

Ma Hongyu1, 2

(1. China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Shapingba, Chongqing 400037, China; 2. National Research Center of Coal Mine Safety Technology Engineering, Shapingba, Chongqing 400037, China)

In order to improve the gas drainage effect of bedding boreholes in C8 coal seam of Hexing Mine, and improve the gas control status, according to the existing conditions of the mine, three sealing processes including two-section-sealing with polyurethane, three-section-sealing with cotton-wrapped polyurethane and cement mortar sealing were compared and studied from the aspects of drainage effect and costs. Two-section-sealing with polyurethane was determined to be used as the sealing technique for pre-pumping boreholes along level bed in C8 coal seam of Hexing Mine because sealing quality was guaranteed and the gas drainage effect was effectively improved by using this method.

boreholes along level bed, drainage effect, sealing technology of polyurethane, sealing technology of cement mortar

马宏宇. 河兴煤矿C8煤层顺层预抽钻孔封孔工艺研究[J].中国煤炭，2017,43(12)：151-154，158.

Ma Hongyu . Research on sealing technology of pre-pumping boreholes along level bed in C8 coal seam of Hexing Mine[J]. China Coal, 2017，43(12):151-154，158.

TD712

A

马宏宇(1983-)，男，河北省唐山人，助理研究员，硕士研究生，2011年毕业于河南理工大学，主要从事矿井瓦斯灾害防治。

(责任编辑 张艳华)